Original-URL des Artikels: https://www.golem.de/news/besuch-bei-soundcam-wie-sieht-maschinenlaerm-aus-1804-134009.html    Veröffentlicht: 25.04.2018 12:10    Kurz-URL: https://glm.io/134009

Besuch bei Soundcam

Wie sieht Maschinenlärm aus?

Merkwürdige Geräusche in der Montagehalle oder im Auto, die sich nicht orten lassen: Die Akustik kann manchmal trügerisch sein. Ein Unternehmen aus Gütersloh hilft dem Gehör auf die Sprünge: mit einer Kamera, die Geräusche sieht. Wir waren dort.

Wie sieht ein fahrendes Auto aus, wie das Rauschen eines Laptop-Lüfters oder das Auslösen einer digitalen Spiegelreflexkamera? Die Soundcam ist eine akustische Kamera, die Geräusche sichtbar macht. Damit lassen sich unerwünschte Lärmquellen aufspüren: in Produktionshallen, bei Haushaltsgeräten - oder im Auto eines Kollegen der Entwickler.

Eine akustische Kamera - das erscheint erst einmal widersprüchlich: Eine Kamera ist ein optisches Gerät, das Bilder festhält. Geräusche hingegen sind eine ganze andere Sphäre. Und doch lassen sie sich sichtbar machen: als Sonogramm oder als Spektrum. Der Zweck der Soundcam ist aber ein anderer: Mit ihr lassen sich Schallquellen lokalisieren. Sie nimmt ein Bild auf, in dem zu sehen ist, wo ein Geräusch entsteht. "Das kann man sich wie eine Wärmebildkamera vorstellen: Eine Wärmebildkamera zeigt, wo es warm ist, und wir zeigen, wo es laut ist", sagt Maik Kuklinski, der beim Soundcam-Hersteller CAE Software und Systems für den technischen Vertrieb zuständig ist, im Gespräch mit Golem.de.

Eine akustische Kamera funktioniert anders als eine herkömmliche: Sie besteht in erster Linie aus 64 Mikrofonen, die in fast konzentrischen Kreisen angeordnet sind. Im Mittelpunkt des Kreises sitzt eine kleine Kamera, die Bilder in Schwarz-Weiß aufzeichnet. Um sie herum sitzen vier Leuchtdioden - für den Fall, dass sich die Schallquelle im Dunkeln befindet. Auf der Rückseite des 34 mal 34 Zentimeter großen und knapp 10 Zentimeter tiefen Geräts befindet sich ein Touchscreen. Zwei Griffe links und rechts davon erleichtern es, die etwa drei Kilogramm schwere Soundcam auf eine Schallquelle zu richten.

Die Mikrofone sind mikroelektromechanische Systeme (Mems), die eine hohe Qualität liefern und dabei sehr günstig sind. Sie sind synchronisiert und erfassen ein Signal zeitgenau synchron zueinander. Über die Analyse von Laufzeitdifferenzen lässt sich dann eine Schallquelle lokalisieren.

Die Kamera sei nach dem Motto "Keep it simple" konstruiert, sagt Kuklinski. "Das bedeutet, sie ist so beschaffen, dass auch ein akustischer Laie sie einfach nutzen kann. Sie benötigt keine lange Vorbereitungszeit. Einschalten, und das Gerät ist einsatzbereit." Bedient wird die Kamera über den Touchscreen. Das Wichtigste ist das große Bild: Es zeigt das Kamerabild, das mit den Daten der Mikrofone überlagert wird. Auf einer Heatmap sieht der Nutzer, wo sich die Lärmquelle befindet. An der Farbe ist zu erkennen, wie stark der Lärm ist.

Darunter befinden sich zwei Diagramme, ein Sonogramm, das die Geräuschentwicklung über die Zeit angibt, und ein Spektrum, das anzeigt, welche Frequenzen zu hören sind. Mit Hilfe des Spektrums lassen sich die Frequenzen filtern. "Das Spektrum ist für den ersten Schritt hilfreich, weil man dort sieht, in welchem Frequenzbereich viel Energie ist", erläutert Kuklinski "Da erscheint ein Peak oder eine größere Beule. Man kann sich dann nur diesen Peak oder diese Beule anschauen und herausfinden, wo in diesem Frequenzbereich der Schall herkommt."

Das Innenleben der Soundcam ist vergleichsweise einfach gehalten: Ein Field Programmable Gate Array (FPGA) wertet die Daten der Mikrofone aus. Es sitzt auf einem entworfenen Board, über das er mit einem Windows-Tablet verbunden ist, das als Bedieneinheit fungiert. Die Kamera ist ebenfalls an den FPGA angeschlossen. Das sie nur zur Referenz da ist, liefert sie lediglich Schwarz-Weiß-Bilder mit einer Auflösung von 320 x 240 Pixeln bei einer Rate von 50 Bildern pro Sekunde oder 640 x 480 Pixeln bei 16 Bildern pro Sekunde.

Was aber lässt sich mit einer Soundcam anfangen?

Lärmquellen lokalisieren

Die Technik sei für die Automobilindustrie entwickelt worden, erzählt Kuklinski. Dort wird sie dazu eingesetzt, um möglichst leise Autos zu entwerfen: Fahrzeugkomponenten werden in jedem einzelnen Schritt darauf geprüft, ob sie Geräusche von sich geben - erst das Teil selbst, dann in mehreren Schritten im Einbau im Fahrzeug und schließlich bei Probefahrten. Ziel ist ein Auto, das keine Nebengeräusche produziert, die den Fahrer stören.

Das gilt auch für eine ganze Reihe von anderen Produkten, deren Geräusche als unangenehm empfunden werden können: Haushaltsgeräte wie Waschmaschinen, Staubsauger oder Kühlschränke beispielsweise. Oder Computer: Der Lüfter am Laptop unseres Videoredakteurs etwa ist sehr laut - mit der Soundcam lässt sich sich die Geräuschquelle genau im Gerät orten. Moderne Rechner, die nicht mehr unter dem Schreibtisch stehen, sondern als Mini-PC oder als All-in-one-Computer darauf, sollten nahe am Ohr des Nutzers möglichst keine Geräusche emittieren.

"Das sind alles Geräte, in denen Mechanik und Elektronik steckt, die Geräusche machen", sagt Kuklinski. "Da geht darum, zu schauen, dass man ein für den Kunden möglichst angenehmes Gerät hat." Außer möglichst geräuscharme neue Geräte zu konstruieren, kann die Soundcam auch dazu genutzt werden, nach nicht mehr ganz so neuen Fehlerquellen zu suchen.

Ein wichtiges Anwendungsgebiet sei dabei der Arbeitsschutz, sagt Kuklinski. Für Messungen am Arbeitsplatz werde normalerweise ein Handschallmessgerät eingesetzt. "Aber wenn es zu laut ist: Was ist dann? Sie wissen: Es ist zu laut, aber Sie haben keine Lösung. Wenn Sie eine Kamera haben, die Ihnen sagt, aus welcher Richtung das Geräusch kommt, dann können Sie Maßnahmen ergreifen."

Eine solche Fehlersuche nutzt aber nicht nur den Arbeitern, die dem Lärm ausgesetzt sind. "Wenn es an einer Maschine laut ist, ist da viel Energie. Das kann zu Problemen führen, weil die Komponenten dort stark belastet werden", erläutert Kuklinski. Lasse sich der Fehler mit Hilfe einer akustischen Kamera lokalisieren, werde auch die Maschine geschont.

So eine Fehlersuche kann sich schwierig gestalten: So habe CAE einmal bei einem Kunden die akustische Kamera vorgeführt und dabei eine Geräuschquelle an einer Maschine gefunden, nach der der Kunde ein halbes Jahr lang vergeblich gesucht hatte. Im Auto eines Kollegen konnte Kuklinski mit Hilfe der Soundcam lokalisieren, wo der merkwürdige Ton entstand, der in Kurven zu hören war. Der Fahrer schwor, da Geräusch komme von rechts, der Beifahrer verortete es links. Es kam aus dem Dachhimmel, wo offensichtlich ein loses Teil in der Kurve in die eine oder andere Richtung rutschte.

Die Soundcam findet den Fehler

"Man sieht mit der akustischen Kamera sofort, wo das Problem liegt", sagt Kuklinski. Denkbar ist, dass sich kleinere Betriebe, etwa Autowerkstätten, eine Soundcam zur Fehlersuche anschaffen. Eine andere Möglichkeit ist, dass Dienstleister sich ein solches Gerät anschaffen und damit ihren Kunden bei der Fehlersuche behilflich sind.

Denn der Vorteil der Soundcam ist, dass sie handlich und einfach zu bedienen ist. Sie ist außerdem im Vergleich zu anderen akustischen Kameras auch günstig.

Die Soundcam ist digital

Akustische Kameras gibt es schon länger. Wie erwähnt, wurden sie zuerst in der Automobilindustrie angewendet. Die ersten dieser Geräte nutzten analoge Mikrofone mit Kabeln. Dabei war allein der Aufbau schon recht kompliziert: Jedes Mikrofon musste mit einer Box für die Datenerfassung verbunden werden. Die wiederum wurde an einen Rechner angeschlossen.

Das war nicht nur aufwendig - ein solcher Aufbau war eher etwas für das Labor als für den mobilen Einsatz -, sondern auch teuer. Eine solches System kostete gut und gerne mehrere Zehntausend Euro. Zu dem Preis trugen vor allem die Mikrofone bei.

Anfangs dieses Jahrzehnts kam CAE auf die Idee, die analogen Mikrofone durch Mems zu ersetzen. Dafür habe zwar die ganze Prozessstrecke neu entwickelt werden müssen, sagt Kuklinski. Aber die Digitalisierung habe auch Vorteile: Die Mems seien kleiner und günstiger als analoge Mikrofone. Für die Datenverarbeitung reicht ein FPGA.

Für die Serie Bionic hatten die Gütersloher noch eine gute Idee: Es ist modular. Das bedeutet, es besteht aus einer zentralen Einheit mit FPGA und Anschlüssen für die Mikrofone. Die sitzen auf Leiterplatinen und kommen ohne Kabel aus. Die Platinen werden an das Modul angeschlossen, und das System ist einsatzbereit. Die filigran geformten Mikrofonarme gibt es in verschiedenen Größen, um unterschiedliche Frequenzbereiche abzudecken. Mit den größten Armen hat das System einen Durchmesser von 1,7 Metern und kann Frequenzen ab 40 Hertz lokalisieren.

Das ist schon handlicher und auch günstiger, als es die analogen Geräuschkameras waren - ein solches System kostet zwischen 13.000 und 30.000 Euro. Der nächste Schritt ist laut Kuklinski dann die mobile Soundcam, die knapp 8.000 Euro kosten soll. Noch ist sie nicht ganz fertig. Die Bedieneinheit auf der Rückseite ist ein Industrietablet mit Windows. Da sucht CAE noch nach einer günstigeren Lösung.

Am 24. April startete das Gütersloher Unternehmen eine Kampagne auf der Crowdfunding-Plattform Kickstarter. Ziel ist es, 30.000 Euro zu sammeln. In der Kampagne gibt es die Soundcam ab 4.000 Euro. Die ersten Geräte sollen im Herbst ausgeliefert werden.  (wp)


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